ΗΜΥ 445/681 Αιολική ενέργεια

Transcript

1 ΗΜΥ 445/681 Αιολική ενέργεια Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2009Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Τι είναι η αιολική ενέργεια; Άνεμος και αιολικό δυναμικό Θεωρία ανεμογεννητριών Μέρη ανεμογεννήτριας Αιολικά πάρκα Εγκατάσταση ανεμογεννήτριας Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Λειτουργία και ζητήματα σύνδεσης στο δίκτυο

3 ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ; Είναι η ενέργεια που εμπεριέχεται στις αέριες δυνάμεις που φυσούν στην επιφάνεια της γης. Ο άνεμος δημιουργείται όταν ο αέρας που θερμαίνεται πάνω από τη γη ανεβαίνει, αφήνοντας κενό από κάτω του. Ακολούθως, ο κρύος αέρας αντικαθιστά τον ζεστό αέρα για να γεμίσει το κενό. Αυτή η μετακίνηση του αέρα είναι ο άνεμος. Η αιολική ενέργεια μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ή ακολούθως σε ηλεκτρική.

4 ΑΠΟ ΤΑ ΑΡΧΑΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ Περσικός ανεμόμυλος Πιστεύεται ότι οι ανεμόμυλοι είχαν χρησιμοποιηθεί ακόμη και πριν 4000 χρόνια. Οι αρχαίοι Πέρσες χρησιμοποιούσαν την αιολική ενέργεια για άντληση νερού. Ο κόσμος έχει εξερευνηθεί με πλοία κινούμενα με αιολική ενέργεια (πανιά).

5 ΑΠΟ ΤΑ ΑΡΧΑΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ -- Άντληση νερού σε χωράφια και φάρμες -- Χρήση αυτού του τύπου ανεμόμυλων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ολλανδικοί ανεμόμυλοι -- Χρήση ως αλεστήρες -- Άντληση νερού για να μεταφερθεί πίσω στην θάλασσα και να ανακτηθεί περισσότερη γη

6 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τη δεκαετία του 1970, οι ξαφνικές αυξήσεις στην τιμή του πετρελαίου και η αύξηση της ευαισθησίας για τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο των ορυκτών καυσίμων, οδήγησαν στην αύξηση του ενδιαφέροντος για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο. -- Αυξημένη ερευνητική δραστηριότητα στις ανεμογεννήτριες -- Οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες είναι πολύ μεγαλύτερες και πολύ πιο αποδοτικές από τους ανεμόμυλους. -- Χρήση της αεροδυναμικής και της μηχανικής για βελτιστοποίηση των ανεμογεννητριών. -- Είναι τώρα αξιόπιστες, σε λογικές τιμές, χωρίς μόλυνση του περιβάλλοντος.

7 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΕΜΟΥ Θεωρητικά, 1-2% της ακτινοβολίας του ήλιου που φτάνει στη γη μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια. Αυτή η ποσότητα ενέργειας είναι 100 φορές περισσότερη από όλη την ενέργεια που καταναλώνεται στον πλανήτη. Ο ήλιος θερμαίνει το έδαφος το οποίο ακολούθως θερμαίνει τον αέρα από πάνω του. Ο θερμός αέρας ανεβαίνει, δημιουργώντας χαμηλή πίεση. Κρύος αέρας μετακινείται στη θέση του δημιουργώντας κίνηση αέριων μαζών. Αυτήηκίνησηείναιοάνεμος.

8 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΑΝΕΜΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΕΡΗ

9 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΑΝΕΜΩΝ Η κατανομή των ανέμων σε μια περιοχή μοντελοποιείται συνήθως με μια κατανομή Weibull. Αν γίνουν μετρήσεις κατά τη διάρκεια ενός χρόνου, θα παρατηρηθεί ότι συνήθως οι πολύ δυνατοί άνεμοι είναι σπάνιοι, ενώ οι μέτριοι άνεμοι είναι αρκετά συχνοί.

10 Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ Η ισχύς εισόδου μιας ανεμογεννήτριας προέρχεται από την μετατροπή της δύναμης τουανέμουσεροπή, περιστρέφοντας τους έλικες του δρομέα. Η ποσότητα της ενέργειας του ανέμου που μεταφέρεται στο δρομέα εξαρτάται από την πυκνότητα του αέρα, την επιφάνεια του δρομέα και την ταχύτητα του ανέμου. Επιφάνεια δρομέα Μια ανεμογεννήτρια 600 kw έχει διάμετρο δρομέα περίπου 40 m (A = 1260 m 2 ).

11 Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ Δεν μπορεί να μαζευτεί όλη η κινητική ενέργεια του ανέμου. Ένα μέρος του ανέμου θα αποκλίνει πριν ακόμη φτάσει στο δρομέα.

12 ΕΜΠΟΔΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Αν περπατήσετε μεταξύ ψηλών κτηρίων ή μέσω μιας στενής διάβασης μεταξύ βουνών, θα παρατηρήσετε ότι η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται. Ο αέρας συμπιέζεται στην πλευρά που φυσά ο άνεμος και η ταχύτητα του αυξάνεται αρκετά. Επομένως, ένας έξυπνος τρόπος για επίτευξη ψηλών ταχυτήτων ανέμου, είναι οι ανεμογεννήτριες να τοποθετούνται στα περάσματα μεταξύ λόφων.

13 ΕΜΠΟΔΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Όμως, για να είναι επιτυχημένη αυτή η εγκατάσταση πρέπει το πέρασμαναείναιομαλό, χωρίς οι γύρω λόφοι να είναι απότομοι ή με αρκετές εναλλαγές. Αλλιώς, θα δημιουργηθούν αναταραχές λόγω των απότομων μεταβολών κατεύθυνσης του αέρα μέσα στο πέρασμα. Αν υπάρχουν τέτοιες μεταβολές, τότε μπορεί να ακυρώσουν το πλεονέκτημα της ύπαρξης μεγαλύτερων ταχυτήτων και ακόμη να δημιουργήσουν φθορά στην ανεμογεννήτρια.

14 ΕΜΠΟΔΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το φαινόμενο της αύξησης ταχύτητας μπορεί να παρατηρηθεί και σε λόφους. Ο λόγος είναι ότι ο αέρας συμπιέζεται στην πλευρά που φυσά ο άνεμος και όταν φτάσει στην κορυφή αποσυμπιέζεται στο χώρο πέρα από την κορυφή όπου η πίεση είναι χαμηλότερη.

15 ΘΕΩΡΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Speed v Μάζα Area A Κινητική ενέργεια = 1 2 mv 2 = ( ρ Av) v = 1 2 ρav 3 Επομένως, ηπυκνότηταισχύος(ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας) είναι: q = 1 ρ v 2 Ισχυρή εξάρτηση από την ταχύτητα του ανέμου. 3

16 ΕΞΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ Drag force (Οπισθέλκουσα δύναμη) Lift force (Δυναμική άνωση)

17 ΕΞΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ Η οπισθέλκουσα δύναμη (drag force) είναι αυτή που είναι παράλληλη με την σχετική ταχύτητα του ανέμου. Η δυναμική άνωση είναι αυτή που είναι κάθετη με την ταχύτητα του ανέμου.

18 ΔΥΝΑΜΙΚΟΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ Η ποσότητα ισχύος που μπορεί να παράξει μια ανεμογεννήτρια εξαρτάται από την διαθεσιμότητα του ανέμου και την ταχύτητα του. Το ποσοστό της ενέργειας που παράγει μια ανεμογεννήτρια σε σχέση με την ενέργεια που θα μπορούσε να παράγει αν λειτουργούσε συνθήκες μέγιστης παραγωγής ισχύος ονομάζεται συντελεστής δυναμικότητας (capacity factor). Αναμενόμενη ενέργεια (MWh) = Ικανότητα παραγωγής (MW) * 8760 ώρες/χρόνο * συντελεστή δυναμικότητας Παράδειγμα: Μια ανεμογεννήτρια 2MW με συντελεστή δυναμικότητας 30% θα παράγει 2 * 8760 * 0.3 = 5256 MWh το χρόνο

19 ΡΟΗ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΜΙΑ ΑΕΡΟΤΟΜΗ

20 ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΣΕ ΜΙΑ ΑΕΡΟΤΟΜΗ Lift Force: ½C L ρau 2 Drag Force: ½C D ρau 2 C L και C D : συναρτήσεις παραμέτρων όπως -- Αριθμός Reynolds R e = ρul/η, όπου το l είναι το χαρακτηριστικό μήκος της αεροτομής -- Σχήμα αεροτομής -- Γωνία πρόσπτωσης ανέμου

21 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Είχαμε δει ότι η πυκνότητα ισχύος (ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας) είναι: q = 1 ρ v 2 Η ποσότητα της ισχύος εξαρτάται από την θερμοκρασία, την πυκνότητα και την υγρασία του αέρα. Άρα συνήθως, q = 0.61v Η αποδοτικότητα των μοντέρνων ανεμογεννητριών είναι περίπου 42%. Τοθεωρητικόόριοείναι59% (Betz limit). Αυτή η αποδοτικότητα είναι λογική, αφού: -- αν εκμεταλλευτείς όλο τον άνεμο που περνά σημαίνει ότι δεν θα περνά! -- αν δεν τον εκμεταλλευτείς καθόλου θα περνά όλος. 3 3

22 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

23 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το πτερύγιο μιας ανεμογεννήτριας είναι μια αεροτομή, όπως το πτερύγιο ενός αεροσκάφους. Δημιουργείται δυναμική άνωση και οπισθέλκουσα δύναμη (lift and drag forces). Η δυναμική άνωση δημιουργεί μια ροπή και περιστρέφει το δρομέα ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το στρόβιλο (πτερύγια ανεμογεννήτριας)

24 ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Πτερύγια και δρομέας (μετατροπή αιολικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια) Πύργος (tower) Κιβώτιο ταχυτήτων Γεννήτρια Συστήματα ελέγχου, σύστημα προσγείωσης Συστήματα προστασίας (π.χ. φρένο)

25 Περιστρέφουν την ανεμογεννήτρια για να είναι απέναντι στον άνεμο ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

26 Οριζόντιου άξονα Κάθετου άξονα ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

27 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ

28 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΚΑΘΕΤΟΥ ΑΞΟΝΑ

29 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΥΠΩΝ ΑΞΟΝΑ Ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα Πλεονεκτήματα --Δεν χρειάζεται σύστημα περιστροφής (yaw) --Άμεση σύνδεση με τη γεννήτρια Μειονεκτήματα -- Αρκετές ταλαντώσεις και καταπόνηση της μηχανής -- Μη σταθερή ισχύς εξόδου λόγω της μεταβλητής ροπής -- Λιγότερο αποδοτικές σε σχέση με το κόστος τους (less cost-effective)

30 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΥΠΩΝ ΑΞΟΝΑ Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Πλεονεκτήματα Μηχανές με λίγα πτερύγια: -- Μικρότερη αδράνεια, άρα γρήγορες -- Ψηλή συχνότητα, άρα καλές για παραγωγή ισχύος Μηχανές με πολλά πτερύγια: -- Μεγαλύτερη αδράνεια, άρα αργές -- Χαμηλή συχνότητα, άρα καλές για φόρτιση μπαταριών και άντληση νερού Μειονέκτημα -- Χρειάζονται σύστημα ευθυγράμμισης με τον αέρα (yaw)

31 Ονομαστική ισχύς: 1950 kw 40 μέτρα 100 μέτρα

32 ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Μικρές ανεμογεννήτριες Μέγεθος: kw Κυρίως για εφαρμογές σε απομονωμένες περιοχές, μη συνδεδεμένες με το δίκτυο (π.χ. αντλίες νερού, σπίτια και φάρμες) Κόστος: μεταξύ ανά kw Απαιτούμενη ταχύτητα ανέμου: ~4.5 m/s Μεσαίες ανεμογεννήτριες Μέγεθος: kw Κυρίως για να παρέχουν ισχύ σε μικρές κοινότητες, για υβριδικά συστήματα και για διεσπαρμένη παραγωγή Κόστος: μεταξύ ανά kw Μεγάλες ανεμογεννήτριες Μέγεθος: > 500 kw (μέχρι και 5 ΜW) Βρίσκονται σε αιολικά πάρκα Κόστος: < 1000 ανά kw Απαιτούμενη ταχύτητα ανέμου: ~5.8 m/s

33 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ Είναι χώροι με πέραν των δυο ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος. Είναι συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο. Μπορεί να είναι χωροθετημένα στην ξηρά (onshore) ή στην θάλασσα (offshore) Οι ανεμογεννήτριες στα αιολικά πάρκα είναι συνήθως τοποθετημένες 5 με 9 διαμέτρους δρομέα μακριά στην κατεύθυνση που συνήθως φυσά ο άνεμος, ενώ είναι τοποθετημένες 3 με 5 διαμέτρους δρομέα μακριά στην κάθετη κατεύθυνση.

34 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ ΣΤΗΝ ΞΗΡΑ Onshore Wind Farms Αποτελούν την πλειοψηφία των αιολικών πάρκων. Πλεονεκτήματα Χαμηλότερο κόστος παραγωγής από τα παράκτια αιολικά πάρκα Εύκολη πρόσβαση για συντήρηση Εύκολη σύνδεση με το δίκτυο Ανησυχίες - Περιορισμοί Περιορισμοί στο ύψος για ανεμογεννήτριες σε λόφους Αστάθεια συνθηκών ανέμου Ανησυχίες για θόρυβο και οπτική ρύπανση

35 ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ Offshore Wind Farms Κατασκευάζονται λόγω ανάγκης όταν δεν υπάρχει αρκετός διαθέσιμος χώρος Πλεονεκτήματα Πιο σταθεροί και δυνατοί άνεμοι από τη ξηρά Μικρότερηοπτικήενόχληση Δεν υπάρχουν περιορισμοί στο ύψος Ανησυχίες - Περιορισμοί Ψηλότερα κόστη κατασκευής που εξαρτώνται από το βάθος (τα περισσότερα παράκτια πάρκα είναι σε περιοχές που έχουν μέχρι 20 μέτρα βάθος).

36 ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Χώρα Γερμανία Ηνωμένες Πολιτείες Ισπανία Ινδία Κίνα Δανία Κόσμος Εγκατεστημένη ισχύς (MW) Στη Δανία, 40% της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από ανεμογεννήτριες

37

38

39 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

40 ΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Περιβαλλοντικά προβλήματα Θάνατοι πτηνών Οπτική ρύπανση Επίδραση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραδιοτηλεόραση) Θόρυβος

41 ΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Θάνατοι πτηνών Αρκετές κατηγορίες για πρόκληση θανάτων πτηνών λόγω των ανεμογεννητριών. Μελέτες σε αιολικά πάρκα στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ έχουν δείξει ότι σκοτώνονται 1-2 πτηνά ανά ανεμογεννήτρια το χρόνο. Απάντηση: Πολύ περισσότερα πτηνά σκοτώνονται από πύργους τηλεπικοινωνιών, αεροσκάφη, αυτοκίνητα κλπ. Οπτική ρύπανση Παράπονα ότι τα αιολικά πάρκα καταστρέφουν το τοπίο Απάντηση: Είναι θέμα γούστου. Υπάρχουν άλλοι που υποστηρίζουν ότι οι σύγχρονες κατασκευές όχι μόνο δεν καταστρέφουν το τοπίο αλλά του προσδίδουν και ένα αλλιώτικο, ωραίο χαρακτήρα.

42 ΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Επίδραση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραδιοτηλεόραση) Όλες οι συχνότητες FM επηρεάζονται από εμπόδια μεταξύ πομπού και δέκτη. Το κύριο πρόβλημα είναι οι μεταβολές των σημάτων λόγω εκτροπής στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Απάντηση: Τα πτερύγια των μοντέρνων ανεμογεννητριών είναι κατασκευασμένα από συνθετικά υλικά τα οποία ελαχιστοποιούν την επίδραση τους στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Επίσης τα αιολικά πάρκα αδειοδοτούνται και χωροθετούνται όταν έχουν κάποια προσδιορισμένη απόσταση από σταθμούς μετάδοσης τηλεπικοινωνιών. Θόρυβος Δυο τύποι θορύβων: αεροδυναμικός (πτερύγια), μηχανικός (περιστρεφόμενες μηχανές) Απάντηση: Ο θόρυβος δεν είναι μεγάλος. Επίσης μειώνεται συνεχώς με την βελτιστοποίηση των ανεμογεννητριών.

43 ΕΠΙΠΕΔΑ ΘΟΡΥΒΟΥ

44 ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Είναι απρόβλεπτη και μη συνεχής Η ισχύς εξόδου δεν μπορεί να ελεγχθεί ή να προβλεφθεί. Δεν μπορούμε προς το παρόν να βασιστούμε στην αιολική ενέργεια ως τη μόνη πηγή ενέργειας. Τα αιολικά πάρκα καταλαμβάνουν μεγάλες περιοχές Πυκνοκατοικημένες περιοχές έχουν πρόβλημα στην εύρεση του απαραίτητου χώρου για χωροθέτηση αιολικών πάρκων. Περιβαλλοντικά προβλήματα Θάνατοι πτηνών, θόρυβος, οπτική ρύπανση

45 ΩΦΕΛΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Καθαρή μορφή ενέργειας. Δεν μολύνει το περιβάλλον, δεν εκπέμπονται οποιαδήποτε αέρια του θερμοκηπίου. Είναι πιο οικονομική (cost-effective) από οποιαδήποτε άλλη ανανεώσιμη μορφή ενέργειας (εκτός από την υδροηλεκτρική σε κάποιες περιπτώσεις).

46 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η αιολική ενέργεια είναι η πιο γρήγορα αναπτυσσόμενη από όλες τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ο μέσος χρονιαίος ρυθμός ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας μεταξύ ήταν 28.5%. Υπολογίζεται ότι μέχρι το 2012 η παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύς θα είναι 150 GW. Μελλοντικό δυναμικό Αναμένεται να ικανοποιεί το 10-20% των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ Αν βρεθεί τρόπος για αποθήκευση ενέργειας, αυτό το ποσοστό μπορεί να μεγαλώσει (αλλιώς χρειάζεται μεγάλη στρεφόμενη εφεδρεία). Κόστος ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες: 1979: 27 cent/kwh 2000: cent/kwh 2004: 2-3 cent/kwh

47 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΛΕΙΠΟΥΣΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ (INTERMITTENT GENERATION) ΑΠΟ ΑΠΕ ΣΤΗΝ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η αιολική ενέργεια έχει την πρωτοκαθεδρία ανάμεσα στις διαλείπουσες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ηλέξηδιαλείπουσα(intermittent) είναι η κατάλληλη λέξη; Ίσως μεταβλητή; Όσο πιο διασκορπισμένα είναι τα αιολικά πάρκα, τόσο το καλύτερο. Αν σταματήσει να φυσά σε μια περιοχή, θα ξεκινήσει να φυσά σε άλλη! Όσο η αιολική ισχύς φτάνει σε σημαντικά ποσοστά εισχώρησης Επιπτώσεις στην ευστάθεια του συστήματος (πρέπει να είμαστε προσεκτικοί) Power (kw) 120, ,000 80,000 60,000 40,000 20, minute Average Power Profile (February 21~27, 2002) 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 Time (HH:MM) Parsons, National Wind Technology Center Lake Benton II Storm Lake

48 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Σημαντικές αν η εισχώρηση είναι > 20% Τεχνικές προκλήσεις: Πιθανότητα για υπερφόρτωση γραμμών Ζητήματα ευστάθειας τάσης και γωνιακής ευστάθειας κατά τη διάρκεια διαταραχών στο σύστημα Η αιολική ισχύς πρέπει να εξισορροπηθεί με άλλες γρήγορες, ελεγχόμενες μονάδες παραγωγής (μεταβαλλόμενη ισχύς από ανεμογεννήτριες) (ψηλότερα κόστη αγοράς, λειτουργίας και συντήρησης τέτοιων μονάδων) Ζητήματα ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος Τα αιολικά πάρκα μπορεί να μην μπορούν να συνεισφέρουν στις επικουρικές υπηρεσίες (ancillary services) που χρειάζονται για τον έλεγχο και ευστάθεια του συστήματος.

49 ΓΙΑΤΙ ΠΕΤΥΧΑΙΝΕΙ; ΤΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΤΗΣ ΔΑΝΙΑΣ Η Δανία έχει τη ψηλότερη εισχώρηση αιολικής ενέργειας στον κόσμο Εγκατεστημένη ισχύς: 62% του μέγιστου φορτίου. Ικανοποιεί το 40% της ζήτησης. Γιατί πετυχαίνει; -- Η Δανία είναι ενωμένη στο υδροηλεκτρικό σύστημα των Σκανδιναβικών χωρών και στο θερμικό σύστημα της Γερμανίας -- Τόσο το αιολικό δυναμικό όσο και τα αιολικά της πάρκα είναι ομοιόμορφα διανεμημένα σε όλη την επικράτεια της χώρας -- Η μεταβολή της ζήτησης φορτίου στη Δανία είναι μεγαλύτερη από ότι στις γειτονικές χώρες.

50 ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ρυθμίζοντας τη λειτουργική φιλοσοφία των παράκτιων αιολικών πάρκων Ελέγχοντας τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Αναπτύσσοντας συστήματα ενεργειακής αποθήκευσης σε μεγάλη κλίμακα Ρυθμίζοντας τη λειτουργική φιλοσοφία των συμβατικών μονάδων παραγωγής (αύξηση των κύκλων δέσμευσης-αποδέσμευσης => αύξηση στα κόστη λειτουργίας και συντήρησης) Ενδυνάμωση και επέκταση των δικτύων μεταφοράς Διαχείριση άεργου ισχύος για ευστάθεια του δικτύου (υποστήριξη τάσης, voltage support) Βελτίωση στην πρόβλεψη ανέμου και παραγωγής Καλύτερος έλεγχος των ανεμογεννητριών (περικοπή (curtailment) των αιολικών πάρκων)

51 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα απομονωμένα συστήματα έχουν ακόμη πιο έντονη ανάγκη για αποθήκευση Είναι περισσότερο ευάλωτα σε προβλήματα ευστάθειας συχνότητας και τάσης Η εφαρμογή των μεθόδων αποθήκευσης εξαρτάται από την τοποθεσία και το σύστημα Υδροαντλητικοί σταθμοί (pumped storage) Σφόνδυλος (flywheel) Συμπιεσμένος αέρας (compressed air) Ηλεκτροχημική ενέργεια Υδρογόνο

52 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Storage technology Pumped hydro Compressed air Flywheel Conventional batteries Hydrogen/fuel cell Typical round-trip efficiency (%) to Typical capacity 100 MW MW 100 kw 100 MW 1 kw- 10 MW 1 kw- 10 MW 50 kw 1 MW -- Αποθήκευση σε υδροαντλητικούς σταθμούς: Περισσότερο δοκιμασμένη και ώριμη λύση. Πιθανότατα η καλύτερη μορφή αποθήκευσης. Πρόβλημα: Ανάγκη για ύπαρξη νερού και αποθηκευτικών χώρων. -- Σφόνδυλος: Φύλαξη κινητικής ενέργειας σε μια περιστρεφόμενη μάζα. Τεράστιες ταχύτητες ανησυχίες για θέματα ασφαλείας. Πολύ ακριβή. Πολύ καλή μέθοδος για παροχή απότομα μεγάλης ισχύος σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα. Οι σφόνδυλοι και οι μπαταρίες θα μπορούσαν να γίνουν βιώσιμες επιλογές για προσφορά συγκεκριμένων υπηρεσιών υποστήριξης για βραχυπρόθεσμες μεταβολές ισχύος (< 1 λεπτό).

53 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΣΕ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Το υδρογόνο είναι φορέας ενέργειας, όχι πηγή Μπορεί να παραχθεί μέσω χημικής διαδικασίας από νερό, βιομάζα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο Χρειάζεται να ξοδέψουμε περισσότερη ενέργεια από όση θα επιστραφεί στο σύστημα Μπορεί να παραχθεί dc ηλεκτρική τάση μέσω κυψελών καυσίμου Μπορεί να είναι η λύση στις ανάγκες μας για ενεργειακή αποθήκευση

54 ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

55 ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Ανάπτυξη υποδομής υδρογόνου (τροφοδότηση/σταθμοί παροχής, τεχνολογίες μεταφοράς και αποθήκευσης σε ψηλή πίεση) Μετατροπή από dc σε ac: ακριβή για MW, αρμονικές Αποδοτικότητα γύρω στο 35% (μετά την αρχική ηλεκτρική παροχή) Κόστος

56 ΩΦΕΛΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μπορεί να καλύψει την μεταβλητότητα του ανέμου Αν συνδυαστεί με συμπαραγωγή (co-generation) είναι δυνατό να επιτευχθεί αποδοτικότητα 70-80% Φιλικό προς το περιβάλλον Μπορεί να βοηθήσει στην ενίσχυση της ευστάθειας του συστήματος